Сверхпроводниковые детекторы
Разработка, изготовление и экспериментальное исследование сверхпроводниковых детекторов и элементов приемных систем на их основе
В настоящее время детекторы субТГц диапазона длин волн получили широкое распространение и все больше находят применение в различных сферах: астрономия, медицина, охранные системы, биология, военное назначение и др.
Наиболее чувствительными являются детекторы, изготовленные на основе сверхпроводящих материалов, охлаждаемые до субкельвинных температур.
Наиболее чувствительными являются детекторы, изготовленные на основе сверхпроводящих материалов, охлаждаемые до субкельвинных температур.
Основные публикации
Патенты на изобретения:
1. Широкополосный детектор терагерцового излучения / Патент на изобретение № 2684897, Дата регистрации: 16.04.2019 //Тарасов М.А., Соболев А.С., Чекушкин А.М., Юсупов Р.А, Гунбина А.А.
2. Способ изготовления устройств с тонкопленочными туннельными переходами / Патент на изобретение № 2733330, Дата регистрации: 01.10.2020 //Тарасов М.А., Нагирная Д.В., Гунбина А.А., Фоминский М.Ю.
3. Метал-диэлектрик-метал-диэлектрик-метал фотодетектор/ Подана заявка на патент на изобретение
Публикации в рецензируемых журналах:
2021
M. Tarasov, A. Gunbina, R. Yusupov, et. al./ Non-thermal absorption and quantum efficiency of SINIS bolometer // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021
DOI: 10.1109/TASC.2021.3057327
2020
1. Тарасов М.А., Эдельман В.С., Лемзяков С.А., и др. / Cryogenic MIMIM and SIMIS Microwave Detectors // Proceedings in 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC)
DOI: 10.1109/RMC50626.2020.9312267
2. Балега Ю.Ю., Барышев А.М., Бубнов Г.М., и др. / Сверхпроводниковые приемники для космических, аэростатных и наземных субтерагерцовых радиотелескопов //Известия вузов. Радиофизика. Т. 63, №7. С. 533-556
3. Р.А. Юсупов, А.А. Гунбина, А.М. Чекушкин, и др. / Квантовый отклик болометра на основе структуры СИНИС с подвешенным абсорбером // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1403-1406.
DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49761.11H
4. М.А. Тарасов, С. Махашабде, А.А. Гунбина, и др. / СИНИС болометр с микроволновым считыванием // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1415-1419 DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49763.17H
5. А.А. Гунбина, М.А. Тарасов, С.А. Лемзяков, и др. / Спектральный отклик матриц полуволновых и электрически малых антенн с СИНИС болометрами // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1440-1446
DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49767.35H
6. А. А. Гунбина, С. А. Лемзяков, М. А. Тарасов, и др. / Отклик на субмиллиметровое излучение СИНИС приемника с электронным охлаждением // Письма в ЖЭТФ, т. 111, №10. С. 641–645, 2020 DOI: 10.31857/S1234567820100018
7. Леснов И.В., Бубнов Г.М., Гунбина А.А., и др. / Development and research of sub-terahertz astronomy and telecommunication equipment // AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2300, № 1, P. 020013-1 - 020013-4
DOI: 10.1063/5.0032083
8. M. A. Tarasov, A.M. Chekushkin, R. A. Yusupov, et. al. / Matching of Radiation with Array of Planar Antennas with SINIS Bolometers in an Integrating Cavity // Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 65, №1, pp. 65–74. 2020
DOI: 10.1134/S1064226920010064
9. M.A. Tarasov, A. A. Gunbina, S. Mahashabde, et. al. / Arrays of Annular Antennas With SINIS Bolometers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.30 , №3, 2020
DOI:10.1109/TASC.2019.2941857
2019
1. M. Tarasov, A. Sobolev, A. Gunbina, et. al./ Annular Antenna Array Metamaterial with SINIS bolometers // Journal of Applied Physics V. 125, Issue 17, 2019
DOI: 10.1063/1.5054160
2018
1. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Mansfeld, et. al. / SubTHz arrays of planar antennas with SINIS bolometers for BTA // EPJ Web of Conferences 195, 05014, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505014
2. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Mansfeld, et. al. / Arrays of annular cryogenic antennas with SINIS bolometers and cryogenic receivers for SubTHz observatories // EPJ Web of Conferences 195, 05010, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505010
3. A.S. Sobolev, B. Beiranvand, A.M. Chekushkin, et. al. / Wideband metamaterial-based array of SINIS bolometers // EPJ Web of Conferences 195, 05009, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505009
4. М.А. Тарасов, С. Махашабде, А.А. Гунбина, и др. / Матрица кольцевых антенн с криогенными болометрами диапазона 345 ГГц в интегрирующей полости // Радиоэлектроника, N1, 2018
DOI: 10.30898/1684-1719-2018-1-3
5. А.М. Чекушкин, М.А. Тарасов, Р.А. Юсупов, и др. / Влияние ловушек из нормального металла, андреевского отражения и эффекта близости на охлаждение сверхпроводника в СИНИС структурах// «Труды МФТИ», Т. 10 №2, 2018
Патенты на изобретения:
1. Широкополосный детектор терагерцового излучения / Патент на изобретение № 2684897, Дата регистрации: 16.04.2019 //Тарасов М.А., Соболев А.С., Чекушкин А.М., Юсупов Р.А, Гунбина А.А.
2. Способ изготовления устройств с тонкопленочными туннельными переходами / Патент на изобретение № 2733330, Дата регистрации: 01.10.2020 //Тарасов М.А., Нагирная Д.В., Гунбина А.А., Фоминский М.Ю.
3. Метал-диэлектрик-метал-диэлектрик-метал фотодетектор/ Подана заявка на патент на изобретение
Публикации в рецензируемых журналах:
2021
M. Tarasov, A. Gunbina, R. Yusupov, et. al./ Non-thermal absorption and quantum efficiency of SINIS bolometer // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021
DOI: 10.1109/TASC.2021.3057327
2020
1. Тарасов М.А., Эдельман В.С., Лемзяков С.А., и др. / Cryogenic MIMIM and SIMIS Microwave Detectors // Proceedings in 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC)
DOI: 10.1109/RMC50626.2020.9312267
2. Балега Ю.Ю., Барышев А.М., Бубнов Г.М., и др. / Сверхпроводниковые приемники для космических, аэростатных и наземных субтерагерцовых радиотелескопов //Известия вузов. Радиофизика. Т. 63, №7. С. 533-556
3. Р.А. Юсупов, А.А. Гунбина, А.М. Чекушкин, и др. / Квантовый отклик болометра на основе структуры СИНИС с подвешенным абсорбером // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1403-1406.
DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49761.11H
4. М.А. Тарасов, С. Махашабде, А.А. Гунбина, и др. / СИНИС болометр с микроволновым считыванием // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1415-1419 DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49763.17H
5. А.А. Гунбина, М.А. Тарасов, С.А. Лемзяков, и др. / Спектральный отклик матриц полуволновых и электрически малых антенн с СИНИС болометрами // Физика твердого тела, Т.62, №9. 2020. С. 1440-1446
DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49767.35H
6. А. А. Гунбина, С. А. Лемзяков, М. А. Тарасов, и др. / Отклик на субмиллиметровое излучение СИНИС приемника с электронным охлаждением // Письма в ЖЭТФ, т. 111, №10. С. 641–645, 2020 DOI: 10.31857/S1234567820100018
7. Леснов И.В., Бубнов Г.М., Гунбина А.А., и др. / Development and research of sub-terahertz astronomy and telecommunication equipment // AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2300, № 1, P. 020013-1 - 020013-4
DOI: 10.1063/5.0032083
8. M. A. Tarasov, A.M. Chekushkin, R. A. Yusupov, et. al. / Matching of Radiation with Array of Planar Antennas with SINIS Bolometers in an Integrating Cavity // Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 65, №1, pp. 65–74. 2020
DOI: 10.1134/S1064226920010064
9. M.A. Tarasov, A. A. Gunbina, S. Mahashabde, et. al. / Arrays of Annular Antennas With SINIS Bolometers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.30 , №3, 2020
DOI:10.1109/TASC.2019.2941857
2019
1. M. Tarasov, A. Sobolev, A. Gunbina, et. al./ Annular Antenna Array Metamaterial with SINIS bolometers // Journal of Applied Physics V. 125, Issue 17, 2019
DOI: 10.1063/1.5054160
2018
1. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Mansfeld, et. al. / SubTHz arrays of planar antennas with SINIS bolometers for BTA // EPJ Web of Conferences 195, 05014, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505014
2. M. Tarasov, A. Gunbina, M. Mansfeld, et. al. / Arrays of annular cryogenic antennas with SINIS bolometers and cryogenic receivers for SubTHz observatories // EPJ Web of Conferences 195, 05010, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505010
3. A.S. Sobolev, B. Beiranvand, A.M. Chekushkin, et. al. / Wideband metamaterial-based array of SINIS bolometers // EPJ Web of Conferences 195, 05009, 2018, TERA 2018 proceedings
DOI: 10.1051/epjconf/201819505009
4. М.А. Тарасов, С. Махашабде, А.А. Гунбина, и др. / Матрица кольцевых антенн с криогенными болометрами диапазона 345 ГГц в интегрирующей полости // Радиоэлектроника, N1, 2018
DOI: 10.30898/1684-1719-2018-1-3
5. А.М. Чекушкин, М.А. Тарасов, Р.А. Юсупов, и др. / Влияние ловушек из нормального металла, андреевского отражения и эффекта близости на охлаждение сверхпроводника в СИНИС структурах// «Труды МФТИ», Т. 10 №2, 2018
СИНИС детектор
Чувствительным элементом такого детектора является абсорбер (поглотитель) из нормального металла. Два СИН-перехода, соединенные последовательно с абсорбером, выступают в качестве термометров. Поглощение излучения в СИНИС-структурах вызывает разогрев абсорбера, который может быть зарегистрирован по увеличению туннельного тока СИН-термометров.
Типичные характеристики СИНИС-детектора:
• Вольтваттная чувствительность – 109 V/W
• МЭШ – 10-16 W/Hz0.5
• Возможность работы в условиях высокой фоновой нагрузки (десятки пВт) при объединении детекторов в матрицы
• Широкий динамический диапазон (более 30 дБ) для матриц из таких детекторов
• Измеренная квантовая эффективность - 15 электронов на квант излучения с частотой 350 ГГц
Чувствительным элементом такого детектора является абсорбер (поглотитель) из нормального металла. Два СИН-перехода, соединенные последовательно с абсорбером, выступают в качестве термометров. Поглощение излучения в СИНИС-структурах вызывает разогрев абсорбера, который может быть зарегистрирован по увеличению туннельного тока СИН-термометров.
Типичные характеристики СИНИС-детектора:
• Вольтваттная чувствительность – 109 V/W
• МЭШ – 10-16 W/Hz0.5
• Возможность работы в условиях высокой фоновой нагрузки (десятки пВт) при объединении детекторов в матрицы
• Широкий динамический диапазон (более 30 дБ) для матриц из таких детекторов
• Измеренная квантовая эффективность - 15 электронов на квант излучения с частотой 350 ГГц
Схематичное изображение процесса термализации кванта излучения с частотой 350 ГГц
Поглощение ТГц излучения в СИНИС-структурах
При поглощении электроном фотона с энергией сильно выше тепловой, энергия электрона будет соответствовать электронной температуре:
hf = kTe (около 17K для 350 ГГц). Время электрон-электронных взаимодействий t ee ~ 1/T 2 (1 ns) при этой температуре значительно больше времен электрон-фононных t eph ~ 1/T 4 (0.1 ns) взаимодействий. В результате рождается высокоэнергетичный фонон. У него есть три пути: уйти в подложку, уйти в сверхпроводящие электроды или провзаимодействовать с электронной системой. При передаче энергии электронной подсистеме рождается пара: возбужденный электрон и возбужденная дырка с энергией hf/2. Возбужденный электрон hf/2 рождает фонон, с энергией hf/2, соответствует электронной температуре 8.4K. Фонон рождает пару электрон−дырка, с энергией hf/4, которая соответствует электронной температуре 4.2K, аналогичный процесс происходит и для дырки с энергией hf/2 с рождением пары электрон–дырка с энергией hf/4. Времена электрон-фононных взаимодействий сравниваются со временами электрон-электронных примерно при электронных температурах 3.7K. Для упрощения, будем считать, что уже при 4.2K эффективно электрон-электронное взаимодействие с рождением двух электронов и дырки с энергией hf /12 от исходной, теперь уже электрон-электронные взаимодействия вступают в силу, происходит эффективное размножение оставшихся возбуждений. Схематично данный процесс изображен на рисунке слева.
При поглощении электроном фотона с энергией сильно выше тепловой, энергия электрона будет соответствовать электронной температуре:
hf = kTe (около 17K для 350 ГГц). Время электрон-электронных взаимодействий t ee ~ 1/T 2 (1 ns) при этой температуре значительно больше времен электрон-фононных t eph ~ 1/T 4 (0.1 ns) взаимодействий. В результате рождается высокоэнергетичный фонон. У него есть три пути: уйти в подложку, уйти в сверхпроводящие электроды или провзаимодействовать с электронной системой. При передаче энергии электронной подсистеме рождается пара: возбужденный электрон и возбужденная дырка с энергией hf/2. Возбужденный электрон hf/2 рождает фонон, с энергией hf/2, соответствует электронной температуре 8.4K. Фонон рождает пару электрон−дырка, с энергией hf/4, которая соответствует электронной температуре 4.2K, аналогичный процесс происходит и для дырки с энергией hf/2 с рождением пары электрон–дырка с энергией hf/4. Времена электрон-фононных взаимодействий сравниваются со временами электрон-электронных примерно при электронных температурах 3.7K. Для упрощения, будем считать, что уже при 4.2K эффективно электрон-электронное взаимодействие с рождением двух электронов и дырки с энергией hf /12 от исходной, теперь уже электрон-электронные взаимодействия вступают в силу, происходит эффективное размножение оставшихся возбуждений. Схематично данный процесс изображен на рисунке слева.
Матрицы СИНИС-детекторов
Интегрируя детекторы в матрицы антенн можно существенно увеличить динамический диапазон приемной структуры для работы в условиях высокой фоновой нагрузки (десятки пиковатт) на наземных обсерваториях.
Микроволновая система считывания
Наши контакты
Тел.: +79063609932
E-mail: etics.etc@gmail.com
Тел.: +79063609932
E-mail: etics.etc@gmail.com
Юридический адрес:
г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.10В, помещение 4
ИНН/КПП 5260187060/526001001
г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.10В, помещение 4
ИНН/КПП 5260187060/526001001
